CN101887803A

CN101887803A - 超高压大型铝电解电容器及其驱动用电解液

Info

Publication number: CN101887803A
Application number: CN 201010207546
Authority: CN
Inventors: 纪力荣; 罗旭芳; 徐永进
Original assignee: DONGGUAN WANLIXIN NEW MATERIAL COMPONETS Co Ltd; Shenzhen Research Institute Tsinghua University
Current assignee: DONGGUAN WANLIXIN NEW MATERIAL COMPONETS Co Ltd; Tsinghua University; Shenzhen Research Institute Tsinghua University
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2010-11-17

Abstract

本发明提供了一种超高压大型铝电解电容器及其驱动用电解液，所述驱动用电解液包括：单体：1～6％重量；热引发剂：0.01～1％重量；液态有机电解液：92～98％重量；所述单体为双官能团丙烯酸酯或其衍生物单体，结构为：CH₂＝C(R₁)CO₂(CH₂CH₂O)_n-R₂-(CH₂CH₂O)_n1-CO-C(R₁)＝CH₂，其中R₁基团的结构为CH₃或H，R₂为下属结构中的一种：C_mH_2m、-C₆H₄-、-CO-C₆H4-COO-、-(CH₂CH₂O)_m-或含杂环基团；n＝0～8，n1＝0～8，m＝0～8。通过本发明，可获得高可靠性的超高压大型铝电解电容器，同时隔膜的密度和厚度大大减小，电容器容量得到进一步提高。

Description

超高压大型铝电解电容器及其驱动用电解液

技术领域

本发明涉及一种超高压大型铝电解电容器，尤其涉及一种超高压大型铝电解电容器及其驱动用电解液。

背景技术

超高压大容量储能铝电解电容器是储能点焊机、高压输电设备、三相电源及激光器等装置设备中必不可少的储能电气元件。

大容量超高压铝电解电容器具备以下特点：(1)电解电容器的耐电压非常高，额定工作电压通常超过650V，瞬间可承受的极限电压更高，通常超过700V；(2)大容量超高压铝电解电容器一般用于各种大型电子设备，要求能承受特别大的纹波电流；(3)大容量超高压铝电解电容器的外形尺寸超大，相应阳极箔的几何面积可达数平米，大体积的铝电解电容器在工作时，由于内部发热和阳极氧化铝膜自我修复作用，电容器内部的压力值和热值增长迅速，电容器易发生破裂甚至燃烧事故。

目前，单个高压铝电解电容器的工作电压一般为400-500V，要制作上千伏大容量铝电解电容器，必须将若干单个铝电解电容器进行串联和并联。这对电容的一致性要求大大提高，如有某一个电容在工作中出了故障，结果形成整个铝电解电容器不能工作，若内部短路，会导致电容器发生“爆炸”，甚至会造成人生事故。为了防止这种弊端，降低串并联电容的复杂性，需要提高单个铝电解电容器的耐压性，容量及可靠性，进而减小电子设备的体积，降低生产成本。

传统的铝电解电容器，是由阳极铝箔和阴极铝箔夹着隔膜重叠卷绕成筒状芯子、用电解液含浸后装入铝壳内密封而成。作为该隔膜，可例如为织布、无纺布、马尼拉麻纸、多孔质膜。电容器的等效串联电阻(ESR)值主要决定于浸渍电解液后隔膜的电阻值，因此ESR值不仅与电解液本身的电阻率有关，而且也和隔膜吸饱电解液的难易程度有密切关系。隔膜常用的单层厚度为20-80μm，实际应用在超高压电解电容器中使用双层隔膜，总厚度为80-100μm，若厚度低于这个范围，强度不够，电解电容器发生短路；若高于这个范围，电容器的DF值变得过大；单层隔膜的密度约为0.15-1.0g/cm³，若密度低于这个范围，强度不够，电解电容器发生短路，若其密度高于这个范围，则电解电容器的DF值过大。

对于650V及以上超高压大容量电解电容器，传统的液态电容器在老化过程中极易出现内爆及闪火现象；在高温负荷时，易造成漏液，腐蚀及燃烧等危险。为了避免电容器内部短路而导致的危险，其隔膜通常采用高密度(＞0.8g/cm³)的马尼拉麻与牛皮纸的混抄纸，导致电容器的损耗角因子偏大，同样尺寸的电容器容量偏低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种超高压大容量铝电解电容器及其驱动用电解液，更具体地说，是一种通过使用凝胶态电解质溶液而具有改进的安全性和可靠性的超高压大容量铝电解电容器及其驱动用电解液。

针对本发明的目的，在本发明的第一方面，本发明提供了一种超高压大型铝电解电容器驱动用电解液，包括：单体：1～6％重量；热引发剂：0.01～1％重量；液态有机电解液：92～98％重量；所述单体为双官能团丙烯酸酯或其衍生物单体，结构为：

CH₂＝C(R₁)CO₂(CH₂CH₂O)_n-R₂-(CH₂CH₂O)_n1-CO-C(R₁)＝CH₂，其中R₁基团的结构为CH₃或H，R₂为下属结构中的一种：C_mH_2m、-C₆H₄-、-CO-C₆H4-COO-、-(CH₂CH₂O)_m-或含杂环基团；n＝0～8，n1＝0～8，m＝0～8。

针对本发明的目的，在本发明的第二方面，本发明提供了一种超高压大型铝电解电容器，包括：电解液；芯包，由带引线的阳极箔、隔膜和带引线的阴极箔叠置卷绕而成，且所述芯包浸渍有所述电解液；以及壳体，容置并密封浸渍所述电解液的芯包，以制成电容器组装件；其中，所述电解液为依据本发明的第一方面制备的所述的超高压大型铝电解电容器驱动用电解液，所述隔膜在叠置卷绕前渗入有所述丙烯酸酯及其衍生物单体，所述超高压大型铝电解电容器驱动用电解液在所述电容器组装件形成后被加热聚合而形成凝聚态电解液。

在依据本发明的超高压大型铝电解电容器中，所述加热聚合过程可为：初段：于75～110℃温度下引发聚合10～20分钟；中段：于55～70℃温度下保温60～120分钟；以及末段：于75～95℃温度下引发聚合20-40分钟。

在依据本发明的超高压大型铝电解电容器中，隔膜材料的厚度可为20～50μm，密度为0.15～0.55g/cm³。

通过本发明，可以获得高可靠性的超高压(对于650V及以上)大型铝电解电容器。在老化过程中无内爆及闪火现象发生；在高温负荷时，无漏液发生，从而避免了腐蚀及燃烧等危险，隔膜的密度和厚度大大减小，从而对于同样尺寸的电容器而言，电容器容量得到提高。

具体实施方式

首先说明本发明的超高压大型铝电解电容器驱动用电解液的配方。

依据本发明的超高压大型铝电解电容器驱动用电解液，包括：单体：1～6％重量；热引发剂：0.01～1％重量；液态有机电解液：92～98％重量。

其中，所述单体为双官能团丙烯酸酯或其衍生物单体，结构为：CH₂＝C(R₁)CO₂(CH₂CH₂O)_n-R₂-(CH₂CH₂O)_n1-CO-C(R₁)＝CH₂，其中R₁基团的结构为CH₃或H，R₂为下属结构中的一种：C_mH_2m、-C₆H₄-、-CO-C₆H4-COO-、-(CH₂CH₂O)_m-或含杂环基团；n＝0～8，n1＝0～8，m＝0～8；

所述引发剂可以为过氧化二苯甲酰，过氧化二(邻甲基苯甲酰)、过氧化乙酰异丁酰、过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化特戊酸叔丁酯中的任一种。

所述液态有机电解液包括：溶质：2％～25％；溶剂：60％～80％；以及添加剂：1％～20％。

所述溶质为有机酸或其盐以及无机酸或其盐的混合物。所述有机酸为直链或支链型饱和或不饱和二元酸或其盐，包括：庚二酸、辛二酸、1，7-辛烷二羧酸、壬二酸、三甲基己二酸、3-叔丁基己二酸、3-叔辛基己二酸、3-正十二烷基己二酸、1，6-癸烷二羧酸、癸二酸、2，4-二甲基-4-甲氧羰基-十一烷二羧酸、十二烷双酸、2，4，6-三甲基-4，6-二甲氧羰基-十三烷二羧酸、8，9-二甲基-8，9二甲氧基羰基-十六烷二羧基、8-苯基-8-甲氧基壬酸、7-乙二烯-9-十六烯-1，16-二羧酸及其盐的一种或两种以上混合，所述无机酸或其盐为硼酸或其盐。

所述溶剂为醇类或醚类中的一种或一种以上有机溶剂。所述溶剂可包括35～70％重量的主溶剂以及15～50％重量的副溶剂，其中，所述主溶剂包括乙二醇、二甘醇、三甘醇、丙二醇、2-甲基丙二醇、丙三醇、丁四醇、γ-内酯、γ-戊内酯、内酯类化合物中的一种或一种以上；所述副溶剂包括环丁砜、乙二醇独丁醚、二甘醇独甲醚、二甘醇独丁醚的一种或一种以上。

所述添加剂可为硝基化合物、磷化合物或其盐或其衍生物。

此外，所述添加剂还可包括半乳糖醇、赤藓醇、季戊四醇、戊五醇、甘露醇、山梨糖醇、玫瑰醇的一种或一种以上，且添加量优选为2％～9％。它们具有降低电解液的饱和蒸汽压，抑制氧化膜水合的作用，同时对高压大容量铝电解电容器在高温负荷时引箔条腐蚀具有一定的抑制作用，从而提高电容器的高温稳定性。

所述添加剂还可包括抑制氢气产生的消氢剂，所述消氢剂为芳香族一元或多元硝基化合物，所述芳香族一元或多元硝基化合物可为对硝基苯甲醇、邻硝基茴香醚、间硝基乙酰苯、对硝基苯甲酸、对硝基苯酚、三硝基苯酚中的一种或一种以上，且添加量优选为0.5％～2.5％。

所述添加剂还可包括烷基磷酸酯、聚磷酸、植酸中的一种或一种以上，且添加量优选为0.05％～0.5％。

所述添加剂还可包括纳米无机氧化物粒子，所述纳米无机氧化物粒子包括纳米SiO₂、纳米TiO₂，且添加量优选为2％～10％。

在依据本发明的超高压大型铝电解电容器驱动用电解液中，所述液态有机电解液本身的闪火电压在600V以上，且具有较高的离子导电率。

其次，说明依据本发明的超高压大型铝电解电容器的制备过程。

超高压大型铝电解电容器的制备过程包括步骤：使隔膜浸透有双官能团丙烯酸酯或其衍生物单体；将连接有引线的阳极箔、浸透了双官能团丙烯酸酯或其衍生物单体的隔膜、以及连接有引线的阴极箔叠置并卷绕成电容器芯包；将电容器芯包浸渍于前述依据本发明的超高压大型铝电解电容器驱动用电解液中；然后，利用壳体和密封材料将浸渍有超高压大型铝电解电容器驱动用电解液的电容器芯包封闭，以制成电容器组装件；最后，对所述电容器组装件加热，使得双官能团丙烯酸酯或其衍生物单体在热引发剂的作用下聚合而形成凝聚态电解液。

在依据本发明的超高压大型铝电解电容器的制备过程中，首先进行的是隔膜处理。具体而言，将丙烯酸酯及其衍生物预先涂于隔离材料表面，或者将隔膜材料浸入丙烯酸酯及其衍生物的溶液中(浓度为5～20％)，使该溶液可以浸润并渗透入隔膜，然后加热干燥，得到涂敷有高分子化合物的隔膜。所述隔膜材料的厚度优选为20～50μm，密度优选为0.15～0.55g/cm³。在以前的高压铝电解电容器用液态电解液中，这样低厚度和密度的隔离纸会引起电极间的短路，不能保持稳定的耐压性。但是由于本发明的电解电容器采用将高分子化合物浸润渗透的隔膜，热引发后形成凝胶，隔膜材料之中网目状地分布凝胶状高分子，并由于其中含有溶入了溶质的极性溶剂，所以可使导电载体通过。这样的隔膜不仅具有高的耐压性，而且可大大降低电容器芯包内隔膜所占的电阻分量，可使电容器的ESR降低，产生良好的特性。

在依据本发明的超高压大型铝电解电容器的制备过程中，所述加热聚合过程可分段进行，优选为三段：初段：于75～110℃温度下引发聚合10～20分钟；中段：于55～70℃温度下保温60～120分钟；以及末段：于75～95℃温度下引发聚合20-40分钟。在发明中，采用分段热聚合工艺，因为在聚合反应后期，凝胶速率减慢，会有少量液体和引发剂残留，末段再将温度升高，可以使已经被固化的电解液中残留的单体和引发剂彻底消耗，确保电容器再使用过程中的性能稳定性。

所述超高压大容量铝电解电容器电解液在热聚合前为液态，通过热聚合后形成凝胶，由于无流动液体，因而具有较高的安全性能和较高的离子导电性能。同时，电容器的耐压性也较浸渍液体电解质的电解电容器有了较大的提高。

最后，通过具体实施例来进一步本发明，但本发明不受这些实施例所限定。

表1

实施例1

将连接有引线的阳极箔、已涂布或含浸了双官能团丙烯酸酯或其衍生物单体并烘干的隔膜、以及连接有引线的阴极箔叠置并卷绕成电容器芯包；将电容器芯包浸渍于表1中添加了0.5％的过氧化乙酰异丁酰引发剂的液态有机电解液1中；然后，利用壳体和密封材料将电容器芯包封闭；最后，对所述电容器组装件加热，使得双官能团丙烯酸酯或其衍生物单体在热引发剂的作用下聚合而形成凝聚态电解液，从而制成了密封的凝聚态铝电解电容器。其中，隔膜采用厚度40μm，密度为0.40g/cm。

实施例2

在实施例1中，除了使用表1中添加了0.5％的引发剂的液态有机电解液2以外，与上述实施例1一样制成凝聚态铝电解电容器。

实施例3

在实施例1中，除了使用表1中添加了0.5％的引发剂的液态有机电解液3以外，与上述实施例1一样制成凝聚态铝电解电容器。

实施例4

在实施例1中，除了使用表1中添加了0.5％的引发剂的液态有机电解液4以外，与上述实施例1一样制成凝聚态铝电解电容器。

比较例1

将连接有引线的阳极箔、没有涂布或含浸双官能团丙烯酸酯或其衍生物单体的隔膜、以及连接有引线的阴极箔叠置并卷绕成电容器芯包；将电容器芯包浸渍于表1液态有机电解液1中；然后，利用壳体和密封材料将电容器芯包封闭，从而制成了密封的铝电解电容器。

比较例2

在比较例1中，除了使用表1中的液态有机电解液2以外，与上述比较例1一样制成铝电解电容器。

比较例3

在比较例1中，除了使用表1中的液态有机电解液3以外，与上述比较例1一样制成铝电解电容器。

比较例4

在比较例1中，除了使用表1中的液态有机电解液4以外，与上述比较例1一样制成铝电解电容器。

针对上述实施例1-4和比较例1-4制造铝电解电容器各20个进行寿命试验，其规格为650WV3300μF、φ90×190于105℃的温度下进行纹波负荷试验，结果列于表2中。

表2电解电容器寿命试验结果

从表2可以看出，使用本发明电解液的电解电容器在老化和寿命实验中皆不会出现击穿、打火等不利情况。另外，由表2可以看出，实施例1-4在容量变化率(△C)、Tanδ变化率、漏电流(LC)、外观变化等特性的变动也很少，尤其是其耐大纹波电流性能优良，105℃负荷3000h后并无腐蚀现象发生，从而可以获得高可靠性的超高压(对于650V及以上)大型铝电解电容器。在老化过程中无内爆及闪火现象发生；在高温负荷时，无漏液发生，从而避免了腐蚀及燃烧等危险，隔膜的密度和厚度大大减小，从而对于同样尺寸的电容器而言，电容器容量得到提高。

Claims

1.一种超高压大型铝电解电容器驱动用电解液，包括：

单体：1～6％重量；

热引发剂：0.01～1％重量；

液态有机电解液：92～98％重量；

所述单体为双官能团丙烯酸酯或其衍生物单体，结构为：

2.根据权利要求1所述的超高压大型铝电解电容器驱动用电解液，其特征在于，所述引发剂为过氧化二苯甲酰，过氧化二(邻甲基苯甲酰)、过氧化乙酰异丁酰、过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化特戊酸叔丁酯中的任一种。

3.根据权利要求1所述的超高压大型铝电解电容器驱动用电解液，其特征在于，所述液态有机电解液包括：

溶质：2％～25％，所述溶质为有机酸或其盐以及无机酸或其盐的混合物；

溶剂：60％～80％，所述溶剂为醇类或醚类中的一种或一种以上有机溶剂；以及

添加剂：1％～20％，所述添加剂为硝基化合物、磷化合物或其盐或其衍生物。

4.根据权利要求3所述的超高压大型铝电解电容器驱动用电解液，其特征在于，所述溶剂包括35～70％重量的主溶剂以及15～50％重量的副溶剂，其中，所述主溶剂包括乙二醇、二甘醇、三甘醇、丙二醇、2-甲基丙二醇、丙三醇、丁四醇、γ-内酯、γ-戊内酯、内酯类化合物中的一种或一种以上；所述副溶剂包括环丁砜、乙二醇独丁醚、二甘醇独甲醚、二甘醇独丁醚的一种或一种以上。

5.根据权利要求3所述的超高压大型铝电解电容器驱动用电解液，其特征在于，所述有机酸为直链或支链型饱和或不饱和二元酸或其盐，包括：庚二酸、辛二酸、1，7-辛烷二羧酸、壬二酸、三甲基己二酸、3-叔丁基己二酸、3-叔辛基己二酸、3-正十二烷基己二酸、1，6-癸烷二羧酸、癸二酸、2，4-二甲基-4-甲氧羰基-十一烷二羧酸、十二烷双酸、2，4，6-三甲基-4，6-二甲氧羰基-十三烷二羧酸、8，9-二甲基-8，9二甲氧基羰基-十六烷二羧基、8-苯基-8-甲氧基壬酸、7-乙二烯-9-十六烯-1，16-二羧酸及其盐的一种或两种以上混合，所述无机酸或其盐为硼酸或其盐。

6.根据权利要求3所述的超高压大型铝电解电容器驱动用电解液，其特征在于，所述添加剂包括半乳糖醇、赤藓醇、季戊四醇、戊五醇、甘露醇、山梨糖醇、玫瑰醇的一种或一种以上，且添加量为2％～9％。

7.根据权利要求3所述的超高压大型铝电解电容器驱动用电解液，其特征在于，所述添加剂包括芳香族一元或多元硝基化合物，所述芳香族一元或多元硝基化合物选自对硝基苯甲醇、邻硝基茴香醚、间硝基乙酰苯、对硝基苯甲酸、对硝基苯酚、三硝基苯酚中的一种或一种以上，且添加量为0.5％～2.5％。

8.根据权利要求3所述的超高压大型铝电解电容器驱动用电解液，其特征在于，所述添加剂包括烷基磷酸酯、聚磷酸、植酸中的一种或一种以上，且添加量为0.05％～0.5％。

9.根据权利要求3所述的超高压大型铝电解电容器驱动用电解液，其特征在于，所述添加剂包括纳米无机氧化物粒子，所述纳米无机氧化物粒子包括纳米SiO₂、纳米TiO₂，且添加量为2％～10％。

10.一种超高压大型铝电解电容器，包括：

电解液；

芯包，由带引线的阳极箔、隔膜和带引线的阴极箔叠置卷绕而成，且所述芯包浸渍有所述电解液；以及

壳体，容置并密封浸渍所述电解液的芯包，以制成电容器组装件；

其特征在于，所述电解液为权利要求1-9任一项所述的超高压大型铝电解电容器驱动用电解液，所述隔膜在叠置卷绕前渗入有所述丙烯酸酯及其衍生物单体，所述超高压大型铝电解电容器驱动用电解液在所述电容器组装件形成后被加热聚合而形成凝聚态电解液。